Kosmokseen kirjoitettua

Kuin putoava kivi

18.4.2020 klo 14.31, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Aika-avaruutta kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian ja ainetta kuvaavan kvanttifysiikan yhdistäminen on fysiikan kenties suurin avoin kysymys. Ongelman kokonaisuuden kanssa ei tiedetä edes, ollaanko menossa oikeaan suuntaan, mutta kahdesta asiasta on melko vankalla pohjalla oleva ennuste.

Vuosina 1974-75 Stephen Hawking osoitti, että mustan aukon luona kvanttikentät säteilevät ulospäin. Vaikka tähtien romahduksessa syntyneitä mustia aukkoja on havaittu, niiden Hawkingin säteily on sen verta heikkoa, että sitä tuskin tullaan ikinä mittaamaan.

Toisaalta joukko tutkijoita –kärjessä Vjatseslav Mukhanov ja V.G. Chibisov– hahmotti 1980-luvun alussa, että varhaisessa maailmankaikkeudessa kosmisen inflaation aikana aika-avaruudessa on kvanttivärähtelyitä, jotka jäätyvät paikalleen. Näin syntyy pieniä epätasaisuuksia maailmankaikkeuden aineessa. Ne toimivat galaksien, planeettojen ja kaiken muun rakenteen siemeninä gravitaation kasvattaessa tihentymiä.

1980-luvulla kosminen inflaatio oli yksi spekulaatio muiden joukossa. Inflaatio kuitenkin eroaa Hawkingin säteilystä siinä, että sitä on 90-luvulta alkaen kokeellisesti testattu. Inflaatio ennustaa millaisia kvanttivärähtelyt ovat, ja kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ja galaksien jakauma taivaalla vastaavat ennusteita monin tavoin.

Periaatteessa kuitenkin jokin muu tapahtuma voisi rypyttää maailmankaikkeutta samalla tavalla. Luottamusta inflaatioon lisäisi se, jos saisimme osoitettua, että rypyt ovat tosiaan peräisin kvanttivärähtelyistä.

Kvanttifysiikassa todellisuus on epämääräinen: esimerkiksi hiukkasilla ei ole määrättyä paikkaa, ainoastaan todennäköisyys olla eri paikoissa. Mitä tarkemmin hiukkasen paikka on määrätty, sitä epämääräisempi sen nopeus on, ja toisinpäin. Klassisessa fysiikassa sen sijaan hiukkasella on koko ajan sekä määrätty paikka että nopeus.

Arjen esineillä todennäköisyys olla yhdessä tietyssä paikassa ja liikkua tietyllä nopeudella on hyvin iso ja todennäköisyys olla missään muualla ja liikkua millään toisella nopeudella hyvin pieni, eli ne näyttävät käyttäytyvän klassisen fysiikan mukaan. (Ei tosin oikein ymmärretä miksi.) Mutta pienessä mittakaavassa –ja varhaisessa maailmankaikkeudessa– epämääräisyys on merkittävää.

Kosmisesta inflaatiosta on vastuussa jokin kenttä –ehkä Higgsin kenttä, ehkä joku toistaiseksi tuntematon kenttä– joka panee avaruuden laajenemaan kiihtyvällä nopeudella.

Kuten hiukkasen paikalla, kentän voimakkuudella ei ole yhtä määrättyä arvoa, vaan eri arvoja eri todennäköisyyksillä. Tätä arvojen epämääräisyyttä sanotaan kvanttivärähtelyiksi. Kun kentän voimakkuudesta tulee määrätty (ei tiedetä miten tämä tapahtuu), sen arvot eri paikoissa määräytyvät tämän todennäköisyysjakauman mukaan. Inflaation lopussa hajoaa tavalliseksi aineeksi, ja paikoissa, joissa kentän arvo on isompi, syntyy enemmän ainetta, ja niihin kehittyy galakseja. Inflaatiota ajaneen kentän arvojen todennäköisyysjakauma on siten painettu galaksien jakaumaan, ja myös kosmiseen mikroaaltotaustaan.

Nopeus, jolla kentän arvo muuttuu inflaation aikana, on sekin epämääräinen. Kentän muutosnopeus liittyy kentän arvoon samalla tavalla kuin hiukkasen nopeus liittyy hiukkasen paikkaan: mitä määrätympi on yksi, sitä epämääräisempi on toinen.

Inflaation aikana todennäköisyys pusertuu siten, että kentän arvosta tulee yhä tarkempi ja muutosnopeudesta yhä epämääräisempi. Samalla kuitenkin kentän arvo määrää muutosnopeuden yhä tiukemmin, eli ne ovat yhä vahvemmin kytköksissä.

Tämä ei ole ristiriitaista, vaikka siltä voi aluksi tuntua. Tilannetta voi verrata korkealta pudotettuun kiveen. Jos tietää, missä kohtaa kivi on, tietää tarkasti myös sen nopeuden, jos tuntee gravitaation ja ilmanvastuksen. Mutta nopeuden tietäminen ei anna yhtä tarkkaa tietoa kiven paikasta sen pudottua jonkin aikaa, koska ilmanvastuksen takia nopeus on alkuvaiheen jälkeen melkein sama paikasta riippumatta. Siis pieni muutos paikassa ei juuri vaikuta nopeuteen, mutta pieni ero nopeudessa tarkoittaa hyvin erilaista paikkaa.

Klassisessa fysiikassa paikalla ja nopeudella on tarkasti määrätty arvo, eli jos tietää yhden tismalleen, niin tietää toisenkin tismalleen. Mutta jos molemmilla olisi vain todennäköisyysjakauma, ja paikan todennäköisyys olisi keskittynyt yhteen arvoon, niin nopeuden todennäköisyysjakauma olisi hyvin lavea. Juuri näin käy inflaatiossa kentän arvon ja muutosnopeuden suhteen. Kentän nopeus lähestyy vakiota kuin putoavan kiven nopeus, joten pieni muutos kentän arvossa johtaa isoon muutokseen nopeudessa.

Kvanttioptiikan tutkijat kutsuvat tällaista systeemiä erittäin kvanttimekaaniseksi, koska se näyttää hyvin erilaiselta kuin klassinen systeemi, jossa paikka ja nopeus ovat suunnilleen yhtä epämääräisiä. (Gravitaatioaaltojen havaitsemisessa muuten käytetään fotoneita, joiden todennäköisyys on tällä tavoin puristunut.)

Kosmologit sen sijaan kutsuvat tällaista systeemiä klassiseksi. Tämä johtuu siitä, että kun mitataan kentän arvo, tiedetään myös sen muutosnopeus aika tarkkaan, eli näyttää siltä kuin molemmilla olisi määrätty arvo, kuten klassisessa fysiikassa. Jos mitattaisiin kentän nopeus, tilanne olisi tietysti toinen, mutta kentän nopeudesta ei jää jälkiä galaksien jakaumaan ja mikroaaltotaustaan, toisin kuin sen arvosta.

Kaiken kaikkiaan tulos on turhauttava: kvanttiefektit ovat inflaation aikana merkittäviä, mutta niiden todentaminen on hankalaa.

Ei kuitenkaan tiedetä tarkkaan, miten inflaatio on tapahtunut, ja on esitetty inflaatiomalleja, joissa kentän kvanttiluonteesta jää galaksien jakaumaan ja kosmiseen mikroaaltotaustaan leima. Toistaiseksi nämä mallit ovat melko koukeroisia, eikä niitä ole tarkoitettu realistisiksi, vaan osoittamaan, että on periaatteessa mahdollista mitata rakenteen siementen kvanttiluonne taivaalta, ja ideat kehittyvät koko ajan.

Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten hedelmällisistä tutkimussuunnista löytyy usein yllättäviä yhteyksiä ja tuoreita tuloksia. Inflaatio kehitettiin vuonna 1980 selittämään, miksi maailmankaikkeus näyttää samanlaiselta kaikissa suunnissa. Tuskin kukaan arvasi, että tähän kysymykseen vastaaminen johtaisi siihen, miten todellisuuden kvanttiluonteen voi mitata taivasta katsoen – ja ehkä myös siihen, miksi maailmankaikkeuden tila nykyään näyttää määrätyltä eikä epämääräiseltä.

---

Ympyrä sulkeutuu

31.3.2020 klo 12.17, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Edellisessä merkinnässä mainitsin tekstistäni, joka käsitteli kauneuden eri ilmenemismuotoja fysiikassa: ilmiöiden kauneutta, tarinoiden kauneutta ja sääntöjen kauneutta. (Aiemmin aiheesta täällä, täällä ja täällä.)

Käsittelemättä jäi eräs seikka, jota joskus kysytään: miksi fysiikan lait tuntuvat kauniilta? Tähän on vähintään yhtä vaikea vastata kuin siihen, miksi maalaukset näyttävät kauniilta, mutta yritän hahmotella yhtä puolta asiasta.

Miksi mitään ylipäänsä pidetään kauniina? Aivomme ovat evoluution myötä kehittyneet merkitsemään tietyt aistimukset miellyttäviksi ja toiset epämiellyttäviksi. Vahvimmat tällaiset leimat annetaan tuntoaistimuksille, mutta ne rajoittuvat yleensä välittömiin kokemuksiin.

Sen sijaan tiettyjen asioiden näkemisen aiheuttama mielihyvä yleistyy hetken tuntemusta kauemmas. Koska näkö on ihmisen merkittävin aisti, hahmotamme esimerkiksi esineiden muotoja ennemmin näkemisen kuin tuntemisen kautta. Näkymiin ja muotoihin liittyvät mielihyvän tunteet yhdistyvät niitä kuvaavan säännönmukaisuuden myötä abstraktimpiin käsitteisiin.

Esimerkiksi ympyrä on kaunis muoto. Ympyrä on kiertosymmetrian ilmentymä: se säilyy samana keskipisteen ympäri kierrettäessä. Niinpä silmin havaittavaan muotoon liittyy avaruutta koskeva muutos. Näön kautta koettu kauneus tarttuu kierron käsitteeseen, joka on konkreettista muotoa yleisempi. Kiertosymmetria perii kauneuden yhdeltä ilmentymältään, ympyrältä.

Olen aiemmin maininnut siirtymän Nikolaus Kopernikuksen ympyräradoista Isaac Newtonin kiertosymmetriseen painovoimalakiin esimerkkinä kehityksestä ilmiöiden kauneudesta lakien kauneuteen. Newtonin gravitaatiolain mukaiset radat eivät kaikki ole kiertosymmetrisiä (planeettojen radat ovat ellipsejä, eivät ympyröitä), mutta sen sijaan gravitaatiolaki on samanlainen joka suunnassa.

Newtonin gravitaatiolaissakin on vielä kyse avaruuden kierroista. Kiertojen kauneus vie kuitenkin avaruutta pidemmälle. Sähkömagnetismin kaunis teoria perustuu siihen, että kaikki säilyy samana, kun fotoneita ja varattuja hiukkasia kuvaavia kenttiä muutetaan tavalla, joka on matemaattisesti samanlainen kuin avaruuden kierto.

Olemme siis lähteneet liikkeelle konkreettisesta ympyrästä, siirtäneet sen kauneuden avaruuden kiertoihin ja päätyneet hahmottamaan ainetta ja valoa kuvaavien kenttien lakeja tämän avaruudesta tutun käsitteen avulla. Ympyrä sulkeutuu, kun ymmärrämme, että maailman ilmiöiden muodot ovat taasen seurausta näistä kenttiä koskevista laeista.

Koska ajattelumme on kehittynyt mallintamaan karkeaa ilmiöiden maailmaa, lähestymme hienoja lakeja niiden karkeista ilmentymistä yleistetyillä käsitteillä.

Monet fysiikan lakien symmetrioista ovat kauempana välittömistä havainnoista kuin kiertosymmetria, ja on paljon kauneutta, jolla ei ole vastinetta havaittavissa muodoissa. Mutta niidenkin matemaattisten rakenteiden ymmärtämiseen käytetään silmillä nähtävien muotojen hahmottamisessa harjaantuneita nystyröitä.

Konkreettisten esineiden käsittelemiseen kehittyneen ajatuskoneistomme valjastamista matemaattisten rakenteiden ymmärtämiseen kutsutaan geometriseksi lähestymistavaksi. Siinä etusijalla ovat tilaan ja kuvalliseen ajatteluun liittyvät käsitteet kuten muodot, koot, suunnat ja etäisyydet. Se täydentää algebralliseksi lähestymistavaksi kutsuttua mallintamista, missä käytetään tinkimättömiä yhtälöitä.

Helposti hahmotettava esimerkki geometrian ja algebran yhteydestä on Metta Savolaisen kuvateos, jonka muodoista ja pinta-aloista voi lukea Pythagoraan lauseen z²=x²+y² todistuksen. Kuva ja yhtälö yhdessä ovat otos geometrian ja algebran välisestä sanakirjasta. Yhtälö z²=x²+y² kuvaa myös ympyrää, jonka säde on z, joten se havainnollistaa myös sitä, miten yhtälöt liittävät erilaisia muotoja toisiinsa.

Ihmisten ja enkelien kielillä

23.3.2020 klo 18.05, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Helsingin opettajien ammattiyhdistyksen HOAY lehden Rihveli numerossa 1/2020 on artikkelini Ihmisten ja enkelien kielillä: kauneus, yksinkertaisuus ja symmetria fysiikassa. Kirjoitan muuan muassa näin:

“Ilmiöiden ja tarinoiden kauneuden lisäksi fysiikassa on kaukaisempaa ja puhtaampaa kauneutta, joka ei koske ilmiöitä, vaan sääntöjä ilmiöiden takana: se on sekä aineetonta että epäinhimillistä.”

---

Vasemmalta oikealle

21.3.2020 klo 17.46, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Kosmologiassa on neljä isoa avointa ongelmaa: mitä on pimeä aine, miksi ainetta on enemmän kuin antiainetta, miten kosminen inflaatio on tapahtunut, ja mistä viime aikojen kiihtyvä laajeneminen johtuu.

Ratkaisuehdotuksia on satoja. Erityisen viehättäviä ovat sellaiset, joissa tehdään vain vähän oletuksia ja jotka selittävät useita asioita. Yksi tällainen on nuMSM, neutriinojen Minimaalinen Standardimalli. Siinä hiukkasfysiikan Standardimallia laajennetaan kenties yksinkertaisimmalla tavalla, lisäämällä kolme neutriinoa.

Hiukkasfysiikan Standardimallissa on kahdenlaisia ainehiukkasia: kvarkkeja ja leptoneita. Värivuorovaikutus sitoo kvarkit protoneiksi ja neutroneiksi. Leptonit eivät tunne värivuorovaikutusta, ja niitä on kahdenlaisia: sellaisia joilla on sähkövaraus (kuten elektroni), ja sellaisia joilla ei ole. Varauksettomia leptoneita sanotaan neutriinoiksi, ja niitä on kolme erilaista.

Kaikista ainehiukkasista paitsi neutriinoista on neljä versiota: hiukkanen ja antihiukkanen, ja kummastakin kaksi spin-tilaa. Jälkimmäinen tarkoittaa karkeasti yksinkertaistaen sitä, että hiukkanen voi pyöriä vastapäivään tai myötäpäivään. Sanotaan, että on vasenkätinen ja oikeakätinen hiukkanen.

Kun Standardimallia muotoiltiin 1970-luvulla, siihen laitettiin vain vasenkätisiä neutriinoita, ei oikeakätisiä. Syynä oli yksinkertaisuus. Toisin kuin sähkövaraukselliset oikeakätiset ainehiukkaset, oikeakätiset neutriinot vuorovaikuttavat vain vasenkätisten kumppaneidensa kanssa, ja sitäkin heiveröisesti. (Siispä niitä kutsutaan myös steriileiksi neutriinoiksi.) Niinpä oikeakätisistä neutriinoista ei ole toistaiseksi mitään merkkiä, eikä Standardimallin matemaattinen rakenne edellytä niitä. Siksi niitä 1970-luvulla pidettiin ylimääräisinä.

Tuuli kääntyi 1990-luvulla, kun tavallisten, vasenkätisten, neutriinoiden havaittiin muuttuvan toisikseen. (Havainnosta on myönnetty Nobelin palkinto vuosina 2002 ja 2015.) Tämä on mahdollista vain jos neutriinoilla on massa – 1970-luvulla ne oli jätetty massattomiksi. Niinpä Standardimallia piti päivittää. Vasenkätisille neutriinoille voi antaa massat lisäämättä uusia hiukkasia, mutta on luontevampaa lisätä samaan syssyyn myös oikeakätiset neutriinot.

Tämä on kenties yksinkertaisin hiukkasfysiikan Standardimallin laajennus, ja nuMSM:ssä yritetään lypsää siitä niin paljon kuin mahdollista. Vasenkätiset neutriinot voivat muuttua paitsi toisikseen, myös oikeakätisiksi neutriinoiksi. Tällä ilmiöllä pyritään selittämään sekä pimeä aine että aineen ja antiaineen epäsuhta.

Kevyin oikeakätinen neutriino on oiva ehdokas pimeäksi aineeksi: sillä ei ole sähkövarausta (eikä värivarausta) ja se voi olla erittäin pitkäikäinen. On mahdollista että pimeä aine on syntynyt tavallisten neutriinoiden muuttuessa oikeakätisiksi neutriinoiksi varhaisessa maailmankaikkeudessa. Olen aiemmin kirjoittanut tästä, nyt avaan sitä, miten tavallisten neutriinoiden muuttuminen kahdeksi muuksi oikeakätiseksi neutriinoksi voisi selittää aineen ja antiaineen välisen epäsuhdan.

Vaikka kaikista ainehiukkasista on sekä tavallinen hiukkanen että antihiukkanen, maailmankaikkeudessa näkyvät kappaleet koostuvat vain hiukkasista. Ei ole antiaineplaneettoja, antiainetähtiä eikä antiainegalakseja. Kun aine ja antiaine kohtaavat, ne annihiloituvat, eli muuttuvat toisiksi hiukkasiksi, erityisesti fotoneiksi. Jos jossain olisi antiainetta, näkisimme aineen ja antiaineen rajapinnalla syntyvää annihilaatiosäteilyä. Jonkin verran tällaista säteilyä itse asiassa mitataan taivaalta, koska vinhasti pyörivissä neutronitähdissä ja supernovien jäänteissä syntyy pieniä määriä antihiukkasia, jotka törmäävät tavalliseen aineeseen.

Varhaisessa maailmankaikkeudessa tilanne oli toinen: ainetta ja antiainetta oli lähes yhtä paljon. Hiukkaspuurossa hiukkaset ja antihiukkaset törmäsivät ja annihiloituivat koko ajan, mutta vastaavasti fotonit muuttuivat koko ajan takaisin hiukkas- ja antihiukkaspareiksi, niin että aineen ja valon suhde pysyi tasapainossa. Esimerkiksi fotoneita ja elektroneita oli suunnilleen yhtä paljon.

Mutta kun maailmankaikkeus laajenee, fotonien aallonpituus venyy ja energia laskee. Niinpä jonkun ajan kuluttua fotoneilla ei ole enää tarpeeksi energiaa hiukkasten ja antihiukkasten tuottamiseen. Sitten hiukkaset ja antihiukkaset kuluttavat toisensa loppuun, kun uusia ei tule. Ensin katoavat top-kvarkki ja sen antihiukkanen, koska se on kaikkein raskain hiukkanen, eli sen tuottaminen vaatii eniten energiaa. Tämä tapahtuu maailmankaikkeuden ollessa noin sekunnin miljardisosan sadasosan ikäinen. Viimeiseksi poistuvat elektroni ja antielektroni, jotka kuluvat loppuun kun maailmankaikkeus on sekunnin vanha.

Jos ainetta ja antiainetta olisi ollut yhtä paljon, jäljelle oli jäänyt vain fotoneita ja neutriinoita. Ainetta oli kuitenkin hitusen verran enemmän. Nykyään maailmankaikkeudessa on noin miljardi fotonia jokaista protonia ja elektronia kohti, eli aineen ja antiaineen epäsuhta oli vain miljardisosan luokkaa. Kaikki näkyvät rakenteet koostuvat tuosta pienestä ylijäämästä.

Tapahtumaa jossa aineen ja antiaineen välisen epäsuhta saa alkunsa kutsutaan nimellä baryogeneesi, baryonisen aineen synty. Baryoninen aine tarkoittaa ainetta, joka koostuu kvarkeista. Nimi tulee siitä, että asiaa ajatellaan yleensä sen kautta, miten saataisiin tuotettua enemmän kvarkkeja kuin antikvarkkeja, ja elektronit tulevat siinä sivussa.

Nykymaailmankaikkeudessa baryoniluku säilyy. Protoneilla ja neutroneilla on baryoniluku +1, niiden antihiukkasilla -1. Aina kun syntyy protoneita ja neutroneita, syntyy siis yhtä paljon antiprotoneita plus antineutroneita. Varhaisessa maailmankaikkeudessa tämäkin on toisin.

Yksi suosittu mahdollisuus baryogeneesille on se, että Higgsin kentän olomuodon muutoksessa kehkeytyy kuplia, joiden törmäyksissä syntyy enemmän kvarkkeja kuin antikvarkkeja. Tämä vaatii sitä, että on olemassa uusia hiukkasia, jotka ovat jonkin verran mutta ei liikaa nykyistä raskaampia. Toistaiseksi sellaisia ei ole näkynyt.

nuMSM lähestyy baryogeneesiä kiertotien kautta. Baryoniluvun lisäksi nykymaailmankaikkeudessa säilyy (ainakin enimmäkseen) leptoniluku. Kaikilla leptoneilla on leptoniluku +1 ja niiden antihiukkasilla -1, oikeakätisiä neutriinoja lukuun ottamatta.

Kun tavalliset neutriinot muuttuvat oikeakätisiksi neutriinoiksi, leptoniluku siis muuttuu. Tässä voi syntyä epäsuhta leptonien ja antileptonien välille. Varhaisina aikoina (ennen sekunnin miljardisosan sadasosaa) baryoniluku ja leptoniluku sekoittuvat koko ajan, joten leptoniluvun ylijäämä siirtyy baryonilukuun.

Tapahtuman yksityiskohdat ovat monimutkaisia, vaikka lähtökohta on yksinkertainen. Tämä on yleensä hyvä merkki. nuMSM:n baryogeneesi nähtävästi toimii vain silloin, kun kahden raskaamman oikeakätisen neutriinon massat ovat lähellä protonin massaa ja hyvin lähellä toisiaan.

Toisin kuin Standardimallin laajennuksissa yleensä, nuMSM:ssä uusien hiukkasten havaitseminen ei ole vaikeaa siksi, että ne olisivat niin raskaita, vaan siksi, että ne vuorovaikuttavat niin heikosti. Suunnitteilla on useita kokeita, jotka yrittävät mitata näiden hiukkasten heiveröisiä signaaleja, esimerkiksi CERNin SHiP.

nuMSM kietoo neutriinojen muuttumisen toisikseen, pimeän aineen ja baryogeneesin tiiviiksi paketiksi. Oikeakätisten neutriinoiden massoilla on mallissa tiukat rajat, joten ne joko löydetään tai malli osoitetaan vääräksi. Tällainen ennustusvoimaisuus on käytännöllistä ja kaunista.

Heinät heinäsuovasta

29.2.2020 klo 14.03, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Torstaina Helsingin yliopiston fysiikan osastolla oli sarja puheita LISA–projektin etenemisestä ja Suomessa sen tiimoilta tehtävästä tai samankaltaisesta tutkimuksesta. LISA on kolmesta satelliitista koostuva observatorio, joka mittaa gravitaatioaaltoja. Euroopan avaruusjärjestö ESA on päättänyt rakentaa sen, ja Yhdysvaltojen avaruusjärjestö NASA hankkeessa mukana.

LISAsta oli kertomassa tutkimusryhmän paikallisten jäsenten lisäksi Martin Hewitson, joka on LISA-ryhmän koordinaattori ja LISAn instrumenttiryhmän johtaja, sekä Antoine Petiteau, joka on LISA-ryhmän kanssajohtaja johtokunnassa, Ranskan edustaja LISAssa ja LISAn dataprosessointiryhmän johtaja.

Teknisesti LISA on erittäin vaativa projekti, ja tuntuu uskomattomalta, että se voi toimia. LISAn tavoittelemien gravitaatioaaltojen korkeus vaihtelee (kohteesta riippuen) välillä 10^(-17) ja 10^(-21) – ne muuttavat satelliittien välisiä etäisyyksiä etäisyyksiä suurimmillaan kymmenen miljardisosan miljardisosan verran. Nykyisten gravitaatioaaltodetektorien LIGOn ja Virgon näkemät gravitaatioaallot ovat tuosta heikommasta päästä, joten näin pieniä signaaleja on mahdollista havaita, ja LISAn teknologiaa on jo onnistuneesti testattu LISA Pathfinder -nimisellä koesatelliitilla.

LISA yhdistää isoa ja pientä. LISAn satelliittien etäisyys toisistaan Aurinkoa kiertävällä radalla on 2.5 miljoonaa kilometriä, ja niiden paikkaa pitää pystyä säätämään nanometrin tarkkuudella. Kunkin satelliitin sisällä on kaksi vapaasti kelluvaa detektoria, jotka lähettävät valoa toisilleen ja muiden satelliittien detektoreille. Laitteet mittaavat gravitaatioaaltojen aiheuttamia muutoksia valon matka-ajassa. Kokeen herkkyydestä kertoo se, että yksi merkittävä virhelähde on se, että noin 500 kilon painoisen satelliitin detektoriin kohdistama gravitaatiovoima ei ole samanlainen kaikissa suunnissa, minkä takia se liikkuu satelliitin sisällä.

LISAa alettiin suunnitella 1990-luvulla. Satelliittien on määrä nousta taivaalle vuonna 2034, aloittaa mittaukset vuonna 2036 ja jatkaa vähintään neljä vuotta. Satelliiteissa on tarpeeksi polttoainetta ja muita tykötarpeita vuoteen 2046 asti, ja data-analyysi jatkuu vielä sen jälkeen vaikka, kuten Martin Hewitson puheessaan totesi, ”emme kaikki ehkä ole sitä enää näkemässä”. Kokonaisuudessaan LISA-projekti kestää yli puoli vuosisataa, ja mittausten tekeminen on siitä vain pieni osa.

LISAn on tarkoitus olla päällä jatkuvasti, ja se mittaa taivasta kaikissa suunnissa. Olen aiemmin maininnut sen kohteista suunnilleen Auringon massaisten mustien aukkojen kiertoliikkeen, galaksien keskustoissa istuvien mustien aukkojen yhteensulautumisen ja Higgsin kentän kuplien törmäykset maailmankaikkeuden alkuhetkinä. Viimeksi mainitut ovat yksi kosmologian päätutkimuskohde Helsingissä, mutta niistä tuleva signaali on erittäin epävarma – ei nimittäin tiedetä, syntyykö noita kuplia ollenkaan. Sen sijaan tunnettuja kohteita on riesaksi asti.

Helsingissä Peter Johansson tutkii tietokonesimulaatioilla galaksien törmäyksiä ja galaksien keskustojen mustien aukkojen sulautumisessa syntyviä gravitaatioaaltoja. Näiden miljoonia tai miljardeja kertoja Aurinkoa raskaampien mustien aukkojen syntyä ja kehitystä ei tunneta vielä tarkkaan, ja LISA voi valaista asiaa merkittävästi. LISA on niin herkkä laite, että se havaitsee näiden jättimäisten kohteiden yhtymisen kaikkialta maailmankaikkeudesta, mistä signaalit ovat ehtineet tulla meille, eli 50 miljardin valovuoden säteeltä. Näitä törmäyksiä odotetaan tapahtuvan noin 10-100  kertaa vuodessa – tai ne siis tapahtuivat miljardeja vuosia sitten, mutta valonnopeudella kulkevat gravitaatioaallot saavuttavat meidät vasta nyt.

Yleisen suhteellisuusteorian testaamisen kannalta isojen ja pienten kohteiden yhdistelmä voi olla kiinnostavampi. Kun pieni musta aukko kiertää paljon isompaa, sen rata on erittäin monimutkainen ja se riippuu yleisen suhteellisuusteorian yksityiskohdista. Samasta syystä on vaikea selvittää, millainen gravitaatioaalto tästä tarkalleen syntyy, eli miten pieni musta aukko riepottaa avaruutta ison ympärillä viuhuessaan. Tätä ei vielä pystytä laskemaan edes parhailla supertietokoneilla, mutta vielä on 16 vuotta aikaa. LISAn odotetaan näkevän noin 1-1000 tällaista kohdetta vuodessa.

On myös kohteita, jotka tunnetaan hyvin. Linnunradassa arvioidaan olevan noin 10 miljoonaa valkoisten kääpiöiden pariskuntaa. Valkoiset kääpiöt ovat ydinpolttoaineensa loppuun kuluttaneita tähtiä, joiden massa ei ollut tarpeeksi iso (alle noin kahdeksan Auringon massaa), että ne olisivat musertuneet neutronitähdiksi. Ne ovat silti raskaita ja tiiviitä. Kun kaksi valkoista kääpiötä kiertää toistaan vinhaan, ne synnyttävät tarpeeksi gravitaatioaaltoja, että LISA näkee ne. Tässä on hyvät ja huonot puolensa.

Linnunradassa on valon avulla nähty parikymmentä valkoisten kääpiöiden paria. Niitä voi käyttää LISAn kalibrointiin, koska tiedetään tismalleen millainen signaali niistä pitäisi tulla. Ongelmana on se, että LISA pystyy erottamaan 25 000 muunkin valkoisten kääpiöiden parin gravitaatioaallot, ja loppujen noin 10 miljoonan aallot ovat taustakohinaa. Kun pannaan päälle se, että galaksien keskustojen mustien aukkojen törmäykset ja isoihin mustiin aukkoihin putoavat pienemmät mustat aukot saattavat tapahtua keskenään osittain samaan aikaan, signaalin erottaminen vaatii hienostuneita menetelmiä ja paljon laskentatehoa.

Nykyisillä gravitaatioaaltodetektoreilla ei ole tällaista ongelmaa. LIGO, Virgo ja hiljattain käynnistynyt KAGRA saavat haaviinsa noin kymmenen signaalia vuodessa, joiden kesto on sekunnin luokkaa. Kun signaalit ovat kaukana toisistaan, niiden erottaminen on helppoa. LISAssa pitää sen sijaan erotella heinät heinäsuovasta.

On säväyttävää, miten teknologia on edennyt. Muutama vuosikymmen sitten LISAn mittaamia aaltoja olisi pidetty mitättöminä ja mahdottomina mitata, mutta nyt (tai pian) niitä on taustakohinaksi asti; näin ihmeellisestä tulee arkea.

Kiinnostavinta on tietysti se, mitä ei osata odottaa. LISA saattaa löytää jotain, mistä meillä ei ole vielä aavistusta, mutta samalla on taattua, että se tuo tunnettuihin asioihin lisävalaistusta.

---

Raapimisjälkiä haudassa

27.2.2020 klo 19.10, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Noin 80% maailmankaikkeuden aineesta on pimeää ainetta, eli ainetta joka on havaittu vain gravitaation kautta. Näin ainakin arvellaan: pimeä aine on lähes sata vuotta vanha idea, joka on erittäin onnistuneesti selittänyt ja ennustanut havaintoja. Mutta pimeän aineen olemassaolosta voidaan olla varmoja vasta kun se on havaittu muutenkin kuin gravitaation avulla.

On satoja erilaisia ehdokkaita sille, mitä pimeä aine on, kuten nynnyt, aksionit, steriilit neutriinot, heksakvarkit ja mustat aukot. Eri ehdokkaita voi havaita eri tavoin. Pimeää ainetta on haettu muun muassa etsimällä taivaalta hiukkasten annihilaatiosta tai hajoamisesta syntyvää säteilyä (ks. täällä, täällä ja täällä), tutkimalla syntyykö hiukkaskiihdytinten hiukkastörmäyksissä pimeän aineen hiukkasia, ja etsimällä kitkaa pimeän aineen liikkeissä. On myös esitetty, että siitä voitaisiin saada todisteita mittaamalla ensimmäisten tähtien kirkkautta.

Yksi suosituimpia pimeän aineen etsimisen menetelmiä on se, että seurataan tarkkaan laboratoriossa olevaa koepalaa (tai säiliötä täynnä nestettä ja/tai kaasua) ja odotetaan, että pimeän aineen hiukkaset potkivat siinä olevia atomiytimiä (ks. täällä, täällä, täällä ja täällä). Koe perustuu siihen, että koska Aurinkokunta (ja samalla Maa) kulkee Linnunradan pimeän aineen halki, pimeän aineen hiukkasia pyyhältää koko ajan lävitsemme.

Toistaiseksi tällaiset kokeet eivät ole löytäneet mitään, kuten eivät muutkaan pimeää ainetta etsineet kokeet. (Poikkeuksena on koe nimeltä DAMA, joka on jo pitkään väittänyt löytäneensä pimeän aineen hiukkasen.) Niinpä etsinnät suuntautuvat yhä vaikeammin löydettäviin pimeän aineen hiukkasiin ja niihin tarvitaan yhä herkempiä menetelmiä. Tähän tarvitaan uusien laitteiden lisäksi uusia ideoita.

Vuonna 2018 joukko tutkijoita tarkasteli kiehtovaa versiota tällaisista kokeista: mitä jos käytetään detektorina laboratoriossa tarkkaan valvottujen koepalojen sijaan maan syvyyksissä olevia kiviä, joihin on voinut jäädä jälkiä satojen miljoonien vuosien ajan? Idea oli esitetty jo 1980-luvulla, mutta teknologia on sittemmin edistynyt paljon.

Tutkijat nimesivät tähän tarkoitukseen käytettävät mineraalit paleodetektoreiksi. Koska etuliite paleo viittaa muinaisten aikojen elämään, geodetektorit olisi asianmukaisempi ilmaisu, mutta fyysikoilla on tapana ottaa vapaat kädet mitä termien keksimiseen tulee.

Koska pimeän aineen hiukkaset vuorovaikuttavat heikosti tavallisen aineen kanssa, ne enimmäkseen sujahtavat Maan läpi ketään häiritsemättä. Toisinaan pimeän aineen hiukkanen kuitenkin törmää atomiytimeen ja työntää sen sijoiltaan. Mitä kovemman potkun ydin saa, sitä pidemmän matkan se liikkuu. Potkun energia riippuu kahdesta seikasta (ytimen massan lisäksi): pimeän aineen hiukkasen massasta ja nopeudesta. Mitä nopeampi ja raskaampi hiukkanen, sitä kovempi potku.

Ytimen liikkeestä jää aineeseen raapaisujälki. Mitä lyhyempiä jälkiä pystytään mittaamaan, sitä kevyempien hiukkasten merkkejä voidaan nähdä. (Pimeän aineen hiukkasten nopeus Maan suhteen lienee noin 200 km/s siitä riippumatta siitä, millaisia ne ovat.)

Nykyisellä teknologialla pystytään erottamaan kivistä noin nanometerin tai kymmenen nanometrin pituisia jälkiä. (Nanometri on metrin miljardisosa.) Edelliset vastaavat pimeän aineen hiukkasia, joiden massa on suunnilleen sama kuin protonin massa, jälkimmäiset hiukkasia, joiden massa on vähän yli kymmenen protonin massaa. Tyypillisesti kymmentä protonin massaa kevyempien hiukkasten törmäyksiä on vaikea nähdä laboratoriossa tehdyissä kokeissa, koska ydinten saama energia on niin pieni, että se hukkuu taustakohinaan. (Herkkyyttä voi tosin parantaa käyttämällä hyväksi kohteen olevien molekyylien muotoja.)

Paleodetektorit voivat siis olla herkempiä kuin monet laboratoriokokeet. Niitä kuitenkin rajoittaa se, että nanometristen naarmujen havaitseminen vaatii tarkkaa syynäämistä, minkä voi tehdä vain pienille paloille. Nanometrin tarkkuuteen pääsee noin kymmenen mikrogramman hippusesta, kymmenen nanometrin jäljet erottaa noin sadan gramman murusta. Laboratoriokokeissa koepalojen massat ovat sen sijaan satojen kilojen tai tonnin luokkaa. Toisaalta laboratoriokokeiden kesto on korkeintaan kymmenen vuoden luokkaa, kun taas yli kymmenen kilometrin syvyydessä olevissa kivissä jäljet säilyvät satoja miljoonia vuosia. Kokeen pitkä kesto korvaa myös sitä, että yksittäiset törmäykset ovat harvinaisia: kun odottaa tarpeeksi kauan, naarmuja kyllä syntyy, jos sopivia pimeän aineen hiukkasia on olemassa.

Suurin ongelma on sen selvittäminen, ovatko kivissä näkyvät jäljet peräisin pimeästä aineesta. Maapallolle tulee avaruudesta korkeaenergistä säteilyä (enimmäkseen protoneita) joka iskeytyy ytimiin. Tämän takia pimeän aineen laboratoriokokeet ovat kaivoksissa tai vastaavissa paikoissa, missä maaperä suojaa säteilyltä. Paleodetektorien kohdalla kosmisen säteilyn vaikutus on mitätön kun mineraalit ovat hautautuneet yli viiden kilometrin syvyyteen.

Lisäksi Auringosta ja kauempaa tulee neutriinoja, jotka pimeän aineen lailla yleensä läpäisevät Maan, mutta joskus törmäävät ytimiin. Ne rajoittavat sitä, miten heikkoja jälkiä voi nähdä: jos pimeän aineen potkut ovat paljon pienempiä kuin neutriinoiden, ne hukkuvat neutriinokohinaan.

Kolmas vaikeus on se, että kaikessa aineessa on radioaktiivisia ytimiä, joiden hajoaminen saa aikaan jälkiä. Ne voi erotella vertaamalla jälkien yksityiskohtia. Esimerkiksi radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu usein ketjuissa: ydin hajoaa pienemmäksi radioaktiiviseksi ytimeksi (ja muiksi hiukkasiksi), joka sitten puolestaan myöhemmin hajoaa. Eri hajoamisissa syntyvien hiukkasten energiat ovat erilaiset, joten ne jättävät erilaisia jälkiä kiveen. Niinpä hajoamisketjulla ominainen jalanjälki, jonka voi lukea kivestä.

Kun tämän kaiken laittaa yhteen, paleodetektorit ovat kuitenkin kevyitä pimeän aineen hiukkasia etsittäessä merkittävästi herkempiä kuin nykyiset laboratoriokokeet – jos kaikki sujuu kuten on kaavailtu. Tutkijat testaavat ensin menetelmäänsä jälkien lukemisesta mineraaleihin, jotka on kerätty läheltä pintaa. Jos tämä onnistuu, vuorossa on mineraalien poraaminen yli kymmenen kilometrin syvyydestä.

Jos jälkiä löytyy, voisi myös tutkia sitä, miten ne eroavat eri aikoina muodostuneissa mineraaleissa. Tätä kautta voisi saada tietoa siitä, miten pimeän aineen tiheys ja nopeus on muuttunut Maan kohdalla satojen miljoonien vuosien aikana. Tämä puolestaan kertoisi siitä, miten Linnunradan rakenne on kehittynyt. Mutta voi myös olla, että pimeän aineen hiukkanen on niin kevyt tai vuorovaikuttaa niin heikosti, että se ei merkittävästi potki ytimiä, jolloin tarvitaan toisenlaisia kokeita sen saamiseksi haaviin.

---

Vapaus, sivistys, itsehallinto

19.2.2020 klo 15.22, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Juttelen maanantaina 2.3. kello 17 Tiedekulmassa tutkimuksen vapaudesta, sivistyksestä ja itsehallinnosta yliopistolla tilaisuudessa. (Facebook-tapahtuma tässä.)

Mukana paneelissa ovat myös Helsingin yliopiston kansleri Kaarle Hämeri, opiskelijavaikuttaja Sanni Lehtinen sekä kansanedustajat Atte Harjanne (vihr), Veronika Honkasalo (vas) ja Jouni Ovaska (kesk).

Keskustelua alustavat Tampereen yliopiston konsistorin jäsen Hanna Kuusela, Oulun yliopiston hallituksen jäsen Petri Lehenkari ja Helsingin yliopiston hallituksen jäsen Jukka Kekkonen.

Tapahtuman kuvaus on seuraava:

Toteutuuko tutkimuksen vapaus? Mitä tieteellinen ja taiteellinen sivistystehtävä vaatii? Entä kenelle kuuluu itsehallinto nyky-yliopistoilla? 

Tilaisuudessa keskustellaan yliopistojen johtamisesta ja yliopistodemokratiasta, sivistyksen merkityksestä sekä tutkimuksen ja opetuksen vapaudesta yliopistojen arjessa kymmenen vuotta uuden yliopistolain hyväksymisen jälkeen.

Tilaisuuden järjestävät yhteistyössä Helsingin yliopiston valtiotieteellinen tiedekunta, Kohti parempaa yliopistomaailmaa -tutkimushanke (Tampereen yliopisto), Politiikasta-lehti, tiede- ja tietokirjakustantamo Vastapaino sekä Yliopistokäänne.

Sattuman kauppaa

30.1.2020 klo 21.58, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Olen kirjoittanut tutkimusrahoituksen hakemisen ongelmista lähinnä hakijan näkökulmasta. Ajattelin nyt katsoa asiaa enemmän arvioijan vinkkelistä. Olin viime syksynä, ja sitä ennen vuonna 2015, Helsingin yliopiston kolmivuotisten tutkimusmäärärahojen arviointipaneelissa, joten käytän sitä esimerkkinä. Olen arvioinut hakemuksia ja tutkijoita myös Etelä-Afrikan kansalliselle tutkimussäätiölle, Iso-Britannian Royal Societylle ja Puolan kansalliselle tiedekeskukselle.

Helsingin yliopiston kolmivuotinen tutkimusmääräraha on 50 000 € vuodessa, mikä kattaa yhden jatko-opiskelijan palkan (plus matkakuluja ja muita pieniä kuluja kuten julkaisumaksuja) tai melkein yhden väitelleen tutkijan palkan. Vuonna 2019 rahaa oli jaossa yhteensä 2.55 miljoonaa euroa.

Hakemukset jaetaan tiedekunnan mukaan paneeleihin, joissa on 4-6 jäsentä. Ensimmäisellä kierroksella paneeli valitsee jatkoon lupaavimmat hakijat, joilta pyydetään tarkempi hakemus. Toiselle kierrokselle selvinneet paneeli laittaa paremmuusjärjestykseen. Yliopiston tutkimusneuvosto antaa paneelien lausuntoihin nojaten ehdotuksen rehtorille, joka tekee päätöksen rahan saajista.

Arviointi tehdään Helsingin yliopiston henkilökunnan voimin. Tässä on se hyvä puoli, että rahaa ei mene ulkoisten arvioijien matkakuluihin ja palkkioihin, vaan kaiken budjetoidun rahan voi antaa määrärahoina. Tietysti hakemusten arviointiin kuluva työaika on poissa muista tehtävistä (erityisesti tutkimuksesta, josta joustavimpana leikataan ensimmäiseksi), mutta en tiedä paljonko tätä huomioidaan rahoitusinstrumenttien tehokkuutta arvioidessa.

Huono puoli on se, että koska tutkimusyhteisö on tiivis, monet paikallisista tutkijoista jotka ovat päteviä arvioimaan tietyn hakemuksen tieteellisiä ansioita ovat siihen myös jäävejä. Kun hakemuksia tulee monelta alalta ja tutkimuskohteet ovat erikoistuneita, paneelin jäsenet joutuvat arvioimaan hakemuksia aiheista, joista he eivät tiedä mitään. (Mainittakoon, että Suomen Akatemia käyttää ulkomaisia arvioijia, joista ainakin osa on alan asiantuntijoita.)

Niinpä kaikkein tärkeimpiä asioita, kuten miten ehdotus sijoittuu tutkimuksen kentälle, miten merkittävä tutkimuskysymys on ja millaista edistystä siinä voi odottaa, voi usein ottaa huomioon vain hyvin rajallisesti. Omalta osaltani voin sanoa, että oli poikkeus, kun pystyin arvioimaan hakemuksen tieteellisiä ansioita. Usein voi vain luottaa hakijan esittämiin väitteisiin työn tärkeydestä, mikä palkitsee suuret puheet, ei realistisia arvioita.

Hakemuksia sitten arvioidaan niiden asioiden perusteella mitä ymmärretään, kuten hakijan numeerisesti mitattavat ansiot (julkaisujen määrä, aiemmat apurahat, kokemus tutkimusryhmien johtamisesta) ja se miten selvästi hakemus on kirjoitettu. Tässä voivat nousta tärkeiksi sellaiset seikat, jotka ovat tutkimuksen tekemisen kannalta aivan yhdentekeviä, kuten onko aikataulu yksityiskohtainen ja onko siitä Gantt-kaavio.

Toissijaisiin seikkoihin nojautumista pahentaa se, että laadukkaita hakemuksia on paljon enemmän kuin niitä, joita voidaan rahoittaa, ja jotenkin hakemukset pitää erottaa toisistaan.

On nurinkurista, että rahahakemuksia arvioidaan paljon epämääräisemmin ja sattumanvaraisemmin kuin tieteellisiä artikkeleita, vaikka tutkimusrahoituksen saaminen on tutkijalle paljon merkittävämpi meriitti kuin artikkelin julkaiseminen tietyssä lehdessä.

Artikkelien vertaisarviointiin kuuluu kirjoittajan ja arvioijan välinen dialogi. Minulle on artikkelin vertaisarvioijana käynyt niin, että olen virheellisesti luullut artikkelissa olevan ongelman, ja kirjoittaja on voinut osoittaa, että olen väärässä. Tämä siitä huolimatta, että kyse on artikkeleista, joiden alan tunnetun hyvin ja joiden arviointiin käytän enemmän aikaa kuin rahahakemusten (en usko olevani tässä yksin). Tutkimusrahoituksen kohdalla on sen sijaan yleinen käytäntö, että hakija ei voi kommentoida arvioita, eikä välttämättä edes saa niitä tietoonsa.

Niinpä hakuprosessissa on paljon satunnaisuutta, ja on kyseenalaista, tuottaisiko samojen hakemusten arvioiminen eri paneelilla samaa tulosta. Toistettavuuden parantaminen, esimerkiksi antamalla mahdollisuus kommentoida arvioita, kuitenkin lisäisi ennestään hakemusprosessiin meneviä resursseja, ja niitä kuluu jo nyt kohtuuttomasti.

Edellisen merkinnän kohdalla kysyttiin, mikä sitten olisi ratkaisu. Erilaisia rahoitusmalleja on pohdittu, ja kilpaillun rahoituksen osuus on iso kysymys, jota olisi syytä miettiä. Mainitsen tässä vain neljä pientä ehdotusta.

Ensinnäkin, aiempaa tutkimusrahoitusta ei pitäisi käyttää mittarina tutkimusrahoitusta ja työpaikkoja jaettaessa. Tutkijoiden vertaaminen ei ole helppoa, joten on houkuttelevaa ulkoistaa vastuu aiemmille arvioijille. Rahoitusprosessien tulokset ovat kuitenkin epäluotettava mittari, koska ne eivät ole toistettavissa. Tutkijoilla on paljon erilaisia meriittejä: artikkelien sisältö, lukumäärä ja julkaisukanavat, puheiden sisältö, lukumäärä ja pitopaikat, artikkelien saamien viitteiden määrä, edelliset työpaikat, opetuskokemus, palkinnot ja niin edelleen. Näistä tutkimusrahoituksessa lienee eniten satunnaisuutta.

Toisekseen, jatko-opiskelijoiden rahoitus pitäisi saada vakaalle pohjalle ja hoitaa keskitetysti, ei jättää sitä ohjaajien hakemusten ja apurahojen varaan. Sattumanvaraisuutta ja epävarmuutta rahoituksessa tulisi muutenkin vähentää. Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta on viime vuosina antanut rahaa hakijoille, jotka menestyvät Suomen Akatemian tai Euroopan tutkimusneuvosto ERC:n hauissa, mutta eivät saa rahoitusta. Tämä on esimerkki siitä, miten voidaan välttää raskas hakuprosessi käyttäen olemassa olevia (sinänsä ongelmallisia) arvioita. Käytäntö myös lieventää sitä ongelmaa, että jos rahaa ei saa, hakemukseen käytetty aika on mennyt hukkaan.

Kolmannekseen, arvioijia tulisi kouluttaa ja ohjeistaa paremmin. Nykyään käytetään yhä enemmän aikaa siihen, että tutkijoita koulutetaan kirjoittamaan hakemuksia, mutta niiden arvioijilla ei välttämättä ole mitään koulutusta tehtävään. Opastuskin on usein puutteellista.

Vuonna 2015 huomautin siitä, että yliopisto ei antanut ohjeita sukupuolen huomioimiseen hakemuksia arvioidessa: pitäisikö yhtä hyvien hakemusten kohdalla suosia hakijaa, jonka sukupuoli on alalla aliedustettuna vaiko ei? Nyt neljä vuotta myöhemmin ohjeita ei vieläkään ollut. Myöskään omien ennakkoluulojen tunnistamisesta ei ollut mitään ohjeita. Kysyttäessä kerrottiin, että tutkimusneuvosto hoitaa sukupuolikysymyksen. Mutta sinne mennessä hakemukset ovat käyneet jo läpi yhden leikkurin, eikä pois jätettyjä hakemuksia voi ottaa huomioon. Diversiteettin ja tasapuolisuuden parantamiseen tähtäävät käytännöt –mitä ne ovatkaan– pitää toteuttaa kaikilla tasoilla, ensimmäisistä arvioista alkaen.

Neljännekseen, olisi syytä tunnustaa tutkimusrahoitukseen liittyvä satunnaisuus. Koska arvioissa on joka tapauksessa paljon satunnaisuutta, voisi säästää aikaa ja vaivaa tekemällä prosessista avoimesti satunnaisen. Paneeli voisi karsia pois huonot hakemukset ja rahansaajat voitaisiin arpoa jäljelle jääneiden joukosta – mahdolliset painotukset tieteenalojen, sukupuolen ja muiden tiedepoliittisten seikkojen huomioimiseksi on helppo ottaa arvonnassa huomioon.

Fysiikan instituutti FQXi jakoi vuodesta 2006 alkaen pieniä apurahoja tällaisella menetelmällä, mutta nyt järjestelmä on ilmeisesti muuttunut. Nature raportoi, että muutkin rahoittajat ovat käyttäneet arvontaa, esimerkiksi Uuden-Seelannin terveystutkimusneuvosto ja Sveitsin kansallinen tiedesäätiö SNSF.

Arvonta säästää hakemusten tekemiseen ja arvioimiseen menevää aikaa ja vähentää ennakkoluulojen merkitystä. Samalla on mahdollista vetää raja siitä, ketkä pääsevät toiselle kierrokselle (eli arvontaan) vain hakemusten laadun perusteella. Nykyään toiselle kierrokselle otettavien hakemusten määrä on rajattu, joten oleellisesti yhtä hyvältä vaikuttavat hakemukset voivat päätyä tai olla päätymättä jatkoon, koska jokseenkin yhtä hyviä hakemuksia on paljon.

Naturen artikkelissa mainitaan myös vähemmän ilmeinen hyöty: kun kaikki tietävät, että rahan saaja on päätetty avoimen sattumanvaraisesti (toisin kuin nykyään, missä kyse on peitellystä sattumanvaraisuudesta), rahan saamista ei pidetä yhtä isona meriittinä. Täten saajat eivät pidä itseään niin paljon muita parempina – ja oletettavasti rahatta jääminen ei ole yhtä paha isku. Rahoituspäätökset kun ovat omanarvontuntokysymyksiä, vaikka tietäisi, että päätökset eivät luotettavasti mittaa pätevyyttä.

Rahoituksen arpominen vaikuttaa mielekkäältä vaihtoehdolta silloin, kun päteviä hakijoita on selvästi enemmän kuin myönnettäviä määrärahoja, ja luotettava erottelu niiden välillä vaatisi merkittävästi enemmän resursseja kuin mitä siihen ollaan valmiita laittamaan tai on mielekästä laittaa. Tämä on Helsingin yliopiston kolmivuotisten määrärahojen tilanne.

Ei ole selvää, tuottaisiko arvonta parempia tuloksia kuin nykyinen järjestelmä. Vastaavasti ei ole selvää, onko nykyinen järjestelmä parempi kuin arvonta. Tutkimusrahoituksen järjestelmät eivät ole evidence-based, eli ne eivät perustu tutkittuun tietoon ja kattaviin arvioihin eri vaihtoehdoista, joissa kaikki tekijät (kuten hakemuksiin käytetty aika ja niissä vaaditun liioittelun vääristävät vaikutukset) olisi huomioitu.

Kun hakijoille laaditaan entistä enemmän mittareita, olisi syytä kiinnittää huomiota siihen, mitä ne mittaavat ja kuinka luotettavia niiden tulokset ovat.

Lyijyä ja painoja

12.1.2020 klo 18.42, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua

Francis Baconin teoksen Novum Organum ilmestymisestä tulee tänä vuonna kuluneeksi 400 vuotta. Olen mielelläni siteerannut Baconin siinä esittämää huomiota, että totuus kehkeytyy ennemmin virheistä kuin sekaannuksesta. Kun tein niin taas viime syksyn kurssilla Fysiikkaa runoilijoille, ajattelin, että pitäisi varmaan lukeakin kirja. (Puhuin kirjasta hieman marraskuussa Kauniaisten musiikkijuhlilla.)

Novum Organum on tieteenhistorian keskeinen teksti. Nimi tarkoittaa uutta työkalua, ja kirjassa Bacon hahmottelee uudenlaista tapaa ymmärtää maailmaa, nimittäin (nykykielellä ilmaistuna) tieteellisiä menetelmiä ja luonnontieteellistä maailmankuvaa. Bacon oli protofyysikko: hänen ideansa ja käytäntönsä eivät olleet vielä fysiikkaa, ja niissä oli keskeisiä puutteita. Mutta hänen tekstinsä oli tärkeä harppaus matkalla filosofiasta luonnontieteeseen.

Kirjan alkupuolen kantava teema on antiikin filosofien ja heidän ihailijoidensa haukkuminen. Onkin hauska huomata, että fyysikoiden ylenkatsova asenne filosofeihin on vanhempi kuin fysiikka. Bacon jakaa filosofit ”kahteen perheeseen” joista yksi löytää uutta tiedettä ja toinen (kenties siksi, Bacon anteeksiantavasti kertoo, että sen jäsenet ovat kiireisiä tai tyhmiä) vain selittää sitä. Tämä tuo mieleen C.P. Snow’n noin 300 vuotta myöhemmin kirjoittaman valituksen siitä, miten älyköt ovat jakautuneet ”kahteen kulttuuriin”, luonnontieteelliseen ja humanistiseen.

Bacon vertaa sitä, miten filosofisiin pohdintoihin nojaava luonnon ymmärtäminen oli polkenut antiikin ajoista paikallaan siihen, miten käsityöt, metallityöt, kellojen tekeminen ja muu teknologia oli edistynyt. Myös tutkimusmatkat osoittivat, että maailma on antiikin ideoita laajempi ja siinä oli uutta löydettävää.

Teksti kertoo muutoskaudesta, jolloin horisontit avautuivat. Fysiikan sanastoa ei vielä ollut, ja Bacon lainaa sanoja oikeustieteestä (vieläkin puhutaan fysiikan laeista), kieliopista, tähtitieteestä, valtiotieteestä (fysiikan hyödyntäminen näyttäytyy samanlaisena valloittamisena ja alistamisena kuin valtioiden tutkimusmatkat ja vallankäyttö) ja lääketieteestä.

Bacon peräänkuuluttaa auktoriteettien hylkäämistä ja pidättyneisyyttä kannan ottamisessa ennen kuin asioista on kunnollista tietoa. Bacon kirjoittaa toivovansa, että hänen ideoidensa seuraajia ei muisteta siitä, että he olisivat tehneet mitään suurta, vaan siitä, että he antoivat vähemmän arvoa asioille, joita pidetään suurina. Bacon on armoton kuvatessaan aikansa tieteen tilaa: ”Nykyinen ihmisten ajattelu on romukasa, joka on rakentunut monista uskomuksista ja sattumuksista, sekä lapsellisista käsityksistä, joita imimme varhaisina vuosinamme.”

Vastalääkkeeksi Bacon korostaa asioiden yksityiskohtaista tarkkailua, havaintojen laajaa kirjaamista muistiin, sekä havaintojen tekemistä ideoiden pohjalta ja ideoiden tarkistamista havainnoilla. Havaintojen käyttäminen maailman ymmärtämisessä ei ollut uusi idea. Bacon kuitenkin oivalsi, että kannattaa erikseen järjestää tilanteita joita havaita (esimerkiksi lämmittää ilmaa leilissä) – eli tehdä kokeita.

Idea kokeista oli niin uusi, että Bacon käyttää sekaisin sanoja koe ja kokemus, erottelematta kielessä välittömiä kokemuksia ja niiden heikkouksia välttämään pyrkiviä järjestelyitä.

Bacon jakaa kokeet kahteen joukkoon: niihin, joiden tuloksista on välitöntä hyötyä ja niihin, jotka kantavat hedelmää vasta myöhemmin. Hänen varoituksensa ajatella pitkää aikajännettä ja olla panostamatta vain edellisiin pikavoittojen toivossa tuntuu kaukonäköiseltä. Bacon oli aikaansa edellä myös korostaessaan instituutioiden ja ihmisryhmien merkitystä kokeiden tekemisessä, ottaen mallia laivanrakennuksesta ja muusta teknologisesta toiminnasta, mikä oli perinteiselle filosofiselle lähestymistavalla vierasta. Bacon myös teroittaa laitteiden (kuten mikroskoopin ja teleskoopin) tärkeyttä havaintojen laajentamisessa välittömien aistikokemusten tuolle puolen. Tässä ollaan sittemmin edetty alueille, joista Bacon ei osannut edes uneksia: nykyään tiedämme, että suurin osa maailmankaikkeudesta on meille näkymätöntä, ja on selvää, että kokeita voi tehdä vain laitteilla.

Bacon pitkät luettelot havainnoista ja niihin liittyvistä kysymyksistä osoittavat miten vähän tuolloin tiedettiin asioista jotka ovat nykyään itsestään selviä. Bacon ei esimerkiksi tee eroa lämmön ja lämmön kokemuksen välillä – niinpä käteen lämpimältä tuntuva turkki on hänelle samanlainen lämmön lähde kuin nuotio. Henget ovat vielä keskeinen tapa ymmärtää aineen ominaisuuksia, vaikka ne tuntuvat jo riisutuilta yliluonnollisesta painolastista. Teksti ei avaa vain sitä, miten paljon nykyään tiedämme, vaan myös sitä, miten pieni määrä käsitteitä selittää paljon. Esimerkiksi se, että ilma koostuu hiukkasista selittää äänen, lämmön, paineen ja sen miksi jotkut asiat nousevat ylös tai painuvat alas, mutta Baconin aikaan nämä olivat kaikki erillisiä kysymyksiä.

Bacon ajatteli, että totuuden saa selville tekemällä kattavasti kaikenlaisia havaintoja ja nousemalla niiden avulla tikas kerrallaan, vailla tarvetta filosofisille oletuksille ja teorioille. Yksittäisistä havainnoista ei kuitenkaan ole mahdollista selvittää yleisiä lakeja ilman oletuksia, sen enempää filosofiselta kannalta kuin käytännössä.

Teoreettisessa fysiikassa puhutaan nykyään kahdesta lähestymistavasta, bottom-up ja top-down, eli pohjalta ylös ja huipulta alas. Edellinen on lähellä Baconin ideaa siitä, miten ymmärrys rakennetaan etenemällä siitä, mitä voimme nyt havaita. Jälkimmäisessä lähdetään teoreettisista ideoista, jotka ovat kaukana siitä mitä tiedämme todeksi.

Fysiikassa on edetty molempia reittejä; yleinen suhteellisuusteoria ja kosminen inflaatio ovat esimerkkejä ideoista, jotka kehitettiin kaukana tunnetusta fysiikasta ja havainnoista, mutta jotka ovat olleet erittäin ennustusvoimaisia. Baconilta puuttunut pala, joka on tehnyt tämän mahdolliseksi, on matematiikan käyttäminen teorioiden täsmälliseen ilmaisemiseen ja kehittämiseen. Tämä vallankumous alkoi pian Baconin jälkeen, ja vuonna 1687 Isaac Newton julkisti ensimmäisen fysiikan teorian, klassisen mekaniikan.

Matemaattisilla malleilla on omat rakenteensa, jotka eivät vain tiivistä havaintoja ja ennusta uusia, vaan myös kanavoivat ajattelua tiettyihin suuntiin ja sulkevat toisia pois. Bacon tunsi hyvin sen ongelman, että arkiajatteluun perustuvat filosofiset pohdinnat voivat harhautua minne sattuu, koska ei ole rakennetta niitä ohjaamaan:

”Meidän ei tarvitse antaa ihmisten ymmärrykselle siipiä, vaan ennemmin lyijyä ja painoja, jokaisen hypähdyksen ja pyrähdyksen hillitsemiseksi. Eikä tätä ole ennen tehty; mutta kun se on tehty, voimme toivoa tieteeltä enemmän.”

Matemaattisia rakenteita on toki lukuisia, ja huipulta alas kulkeva reitti voi juuttua paikalleen, jos on valinnut rakenteen, joka ei kuvaa todellisuutta tai jossa on vaikea edetä, kuten säieteorian multiversumipohdinnat osoittavat.

Baconin esittämä kokeellinen ja rationaalinen tarkastelutapa tuntuu nykynäkökulmasta ilmeisen yksinkertaiselta. Se, miten myöhään nuo ideat keksittiin kertoo kuitenkin, miten vaikea ne oli löytää. On hankala vieroittua siitä, mitä on oppinut ja vaikea kehittää uutta mittatikkua, jolla arvioida ajattelun perusteita. Tässä ympäristön vaikutus on keskeistä: ihmisen ajattelu kasvaa suhteessa muihin ihmisiin ja tieteen edistys kietoutuu yhteiskunnan kehitykseen.

Baconin lukeminen muistuttaa myös siitä, että tieteellinen maailmankuva on lähestymistapa totuuden selvittämiseen, ei kokoelma lausuntoja siitä, mikä on totta.

Tiedeuutisten knopit

31.12.2019 klo 00.20, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Vuodenvaihteen ratoksi maamme suurin julkinen media Yle tarjoaa ”perinteisen” tiedevisan, jossa voi testata ”ovatko tiedeuutisten knopit hallussa”. Kysymys 8/15 on seuraava:

Pimeää ainetta tutkiva Tommi Tenkanen on esittänyt maailmankaikkeuden alun tapahtumille tavanomaisesta käsityksestä poikkeavaa järjestystä. Millaista?

A) Ensin tapahtui maailmankaikkeutta rajusti laajentanut kosminen inflaatio ja vasta sen jälkeen tapahtui kuuma alkuräjähdys.

B) Ensin oli kuuma alkuräjähdys, joka muuttui kylmän alkuräjähdyksen kautta kosmiseksi inflaatioksi.

C) Maailmankaikkeus räjähti kerralla lähes nykyiseen kokoonsa.

Tämä on varoittava esimerkki tiedeuutisoinnin vastuuttomuudesta. Tommi Tenkanen ei ole esittänyt mitään yllä olevista vaihtoehdoista – ja mikä pahempaa, ne ovat kaikki harhaanjohtavia.

Termillä ”alkuräjähdys” saatetaan viitata joko maailmankaikkeuden alkuun, nykyisen aineen syntyyn kosmisen inflaation lopussa tai sarjaan inflaation jälkeisiä tapahtumia. (Asiaa on puitu täällä ja täällä; selkeintä olisi välttää koko sanaa ja puhua vaikka maailmankaikkeuden alusta tai aineen synnystä.)

Ensimmäisessä tapauksessa vaihtoehto A on sanan ”alkuräjähdys” määritelmän vastainen, kahdessa jälkimmäisessä se on sanan määritelmän mukaan totta. Virke A ei siis kerro siitä, millainen maailma on, vaan siitä, miten sanoja käytetään.

Vaihtoehdossa B esiintyvä ”kylmä alkuräjähdys” on menneiden aikojen jäänne, jolla on suunnilleen yhtä paljon tekemistä nykytieteen kanssa kuin eetterillä. (En olisi ilman Googlen apua edes tiennyt mitä se tarkoittaa.)

Vaihtoehdossa C on yhdistetty tavallinen väärinkäsitys ja karkea epätotuus. Onnettomasti valitusta nimestään huolimatta ”alkuräjähdys” ei ole räjähdys. Maailmankaikkeuden jatkuva laajeneminen taasen on suunnilleen yhtä hyvin varmennettu asia kuin Maapallon pyöreys.

Yllä siteerattu”tiedeknoppi” on kysymyksiltään suunnilleen yhtä järkevä kuin alla oleva historian kysymys.

Liikkuvuuden historiaa tutkiva N.N. on esittänyt Ranskan synnyn tapahtumille tavallisesta käsityksestä poikkeavaa järjestystä. Millaista?

A) Ensin tapahtui Ranskaa rajusti laajentanut Kaarle Suuren valtakausi ja vasta sen jälkeen tapahtui kova valloitus.

B) Ensin oli kova valloitus, joka muuttui pehmeän valloituksen kautta Kaarle Suuren valtakaudeksi.

C) Ranska räjähti kerralla lähes nykyiseen kokoonsa.

Fysiikasta kirjoitettaessa tällainen hölynpöly on normaalia. Vaikka kysymyksessä olisi siteerattu Tommin tutkimuksen antia oikein ja yksi vastauksista pitäisi paikkansa, tällainen ”knoppailu” olisi silti ongelmallista. Kyse ei ole vain siitä, ovatko yksittäiset asiat väärin, vaan siitä, että koko viitekehys on harhaanjohtava.

Kyselyistä ei muisteta vain oikeita vastauksia, vaan vaihtoehtojen kokonaisuus muovaa käsitystä. Mielekkäästi laadittu monivalintakysymys valottaa oleellisia aiheita laajemmin kuin vain yhden vaihtoehdon kautta. Tähän tietysti liittyy vastausten lisäksi myös kysymyksen valinta. Nyt Tommin (sinällään kiinnostava) tutkimus on nostettu satojen viime vuonna ilmestyneiden vastaavien artikkeleiden joukosta esille vain siksi, että se on saanut paljon julkisuutta. Tämä taas ei liity niinkään tutkimuksen sisältöön kuin sen lehdistötiedotteeseen.

Tiede ei ole kokoelma tietoa, vaan siihen kuuluu elimellisesti joukko päättelytapoja sen selvittämiseksi, mikä on totta ja mikä ei, sekä tarkka kirjanpito epävarmuudesta. Tällaisten kyselyiden arvo tieteen ymmärtämiselle (ainakin mitä tulee teoreettiseen fysiikkaan) ei ole nolla vaan negatiivinen: ne nostavat esille yksittäisiä ehdotuksia muiden joukosta antaen ymmärtää, että niissä on jotain erityistä – ja tekevät tämän tavalla, josta on mahdotonta ymmärtää, mistä on kyse.

Kuten olen aiemmin kirjoittanut, toimittajat ovat tavattoman herkkäuskoisia mitä tutkijoiden (tai oikeastaan näiden yliopistojen PR-osastojen) tiedotteisiin tulee. (Aiheesta ks. täällä, täällä, täällä, täällä, täällä, täällä ja täällä.) Tämän takia tutkijoilla on vastuu olla huolellisia. Ei riitä, että tiedotteiden sisältö on totta, pitää myös ottaa huomioon, millaisen vaikutelman ne antavat, ja rapauttavatko ne yleistä tieteen ymmärrystä hetkellisen huomion hyväksi.

Kun päättyvän vuosikymmenen alulla OPERA-koeryhmä piti CERNissä lehdistötilaisuuden mahdollisesti valoa nopeammista neutriinoista, ei auttanut, että tiedotteeseen oli asianmukaisesti kirjattu, että mitään löytöä ei ole tehty. Jo siitä, että CERNissä järjestettiin lehdistötilaisuus toimittajat päättelivät, että jotain merkittävää oli tapahtunut. Tämä saattoi olla OPERAn johdon tarkoituskin, mutta silloin kun näin ei ole, on syytä olla varovainen. Jos ei halua, että joku vetää liipasimesta, ei kannata jakaa ammuksia.

Mitä toimittajien vastuuseen tulee: jos ei ole varma, mihin piippu osoittaa, ei kannata vetää liipasimesta vaikka joku jakaisikin ammuksia.